面试题：网络编程中WebSocket全双工通信模式的实现原理

Question

请阐述WebSocket全双工通信模式在网络编程中的实现原理，包括与传统HTTP协议的区别，以及如何建立和维持这种全双工连接。

Answer 1

WebSocket全双工通信模式实现原理

1. 基本概念：WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。允许服务端主动向客户端推送数据，客户端也能主动向服务端发送数据，打破了HTTP只能由客户端发起请求的限制。
2. 原理基础：基于TCP协议，在应用层协议层面实现双向数据传输。通过HTTP的Upgrade首部字段，从HTTP协议“升级”到WebSocket协议。

与传统HTTP协议的区别

1. 连接性质：
   • HTTP：是无状态、短连接协议，每次请求 - 响应完成后，连接通常关闭。客户端发起请求，服务端响应，服务端无法主动向客户端推送数据。
   • WebSocket：是有状态、长连接协议，一旦建立连接，双方可随时相互发送数据。
2. 头部开销：
   • HTTP：每次请求都要携带大量头部信息，即使是简单请求，头部也可能较大。
   • WebSocket：握手时使用HTTP协议，建立连接后数据传输头部开销小，一般2 - 10字节。
3. 协议特点：
   • HTTP：基于请求 - 响应模型，适用于获取资源。
   • WebSocket：全双工通信，更适合实时交互场景，如聊天、实时监控等。

建立和维持全双工连接

1. 建立连接（握手过程）：
   • 客户端请求：客户端发起HTTP请求，包含特殊的Upgrade首部字段，表明想要升级到WebSocket协议。例如：

GET /ws HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec - WebSocket - Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec - WebSocket - Version: 13

- **服务端响应**：服务端如果支持WebSocket协议，会返回101 Switching Protocols状态码，并携带相应头部。例如：

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec - WebSocket - Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

- **校验过程**：服务端接收客户端的Sec - WebSocket - Key，将其与固定字符串“258EAFA5 - E914 - 47DA - 95CA - C5AB0DC85B11”拼接，进行SHA - 1哈希计算，再进行Base64编码，得到的结果与客户端发送的Sec - WebSocket - Accept进行对比，一致则握手成功。

2. 维持连接： - 心跳机制：为了检测连接是否存活，防止网络中间节点（如防火墙、代理等）将长时间无数据传输的连接关闭，WebSocket双方通常会定时发送心跳包（Ping和Pong帧）。客户端发送Ping帧，服务端收到后回复Pong帧，反之亦然。 - 协议规范保证：WebSocket协议自身对连接的关闭有明确规范，正常关闭时会发送关闭帧（Close帧），携带关闭状态码和可选的关闭原因，双方收到关闭帧后按规范处理连接关闭流程，避免异常断开导致资源浪费或状态不一致。